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1、2014.09,项目六 水利工程管理信息技术,主讲人： 张 峰,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,一、概述,水情自动测报系统是应用传感、遥测、通信、计算机技术进行水情数据采集、报送和处理的系统。水情数据包括雨量、水位、流量、地下水位、含沙量、水质、土壤墒情等。 水情信息是洪水预报调度工作中数量大、实时性强，并且国家有严格报送制度的基础信息，是预报调度工程运行管理等决策的主要依据。随着现代通信技术、微电子技术、现代传感技术、计算机及其网络技术、卫星技术等的迅速发展，我国水情自动测报系统已走向成熟。 我国现有的水情自动测报系统基本上都是超短波系统，本讲内容主要介绍超短波系统。,任务二 水情自动测
2、报与洪水预报调度,二、水情自动测报系统的任务,建立水情自动测报系统的目的是防洪、兴利和水利调度，其任务是实时收集流域内(或者说目标区域内)的各类水情信息，经过处理后适时作出水情预报(如洪水预报、早情预报、洪灾预报)，争取预见期，最大限度地减少以至避免洪水、早灾造成的损失。最大限度地发挥工程效益，如优化输配水方案，确保水利工程安全，提高水的利用率，在一定条件下，可多蓄水、多发电等。 水情自动测报系统按功能可以分为三大部分:即数据采集、数据传输和数据处理，如图6-1所示。,图6-1 水情自动测报系统的组成,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,1.数据采集装置通常为一具有A/D转换接口的传感器，有时
3、装置还具有显示、存储、打印等功能，这些采集装置往往称之为非电量电测仪。此外还应包括传感器或电测仪的工作环境，如浮子或水位计的测井等。 2.数据传输包括信道和传输控制装置。信道包括传输介质和信道机，如有线或无线信道及相应的收发信机。传输控制装置负责遥测信号的采集控制，传输控制、发送控制以及可接受遥控指令执行命令等。 3.数据处理在中心站由计算机完成。通常有两台计算机工作，一台为前置机，一台为主机，完成数据收集，预处理，并根据收集数据的目的作出相应的处理。如作实时洪水预报，水库防洪发电调度，灌区输配水优化调度等。此外，完成数据存储、显示、分类、建立数据库等工作。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度
4、,二、水情自动测报系统的任务,三、水情自动测报系统的组成结构,水情自动测报系统一般由一个中心站，若干个中继站、数个或数十个，甚至上百个各类遥测站组成。中心站主要负责数据的收集和处理，测站则主要是收集信息并编码发送。根据系统的规模、作用和要求的不同，中心站和测站的结构也不尽相同。 1.中心站 中心站主要由前置处理机、主机、收发信设备、外围设备及电源等组成。一个典型中心站的结构如图6-2所示，值得注意的几点是: (1)一般采用可靠性高、功耗低的工业控制机(或单片机、单板机)作为前置处理机，专管数据的接收、暂存和预处理，以利于提高系统的可靠性和减轻主机负担。主机一般选用高档微机，除完成本系统数据处理
5、外亦可承担其他任务。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,三、水情自动测报系统的组成结构,(2)若当地有几个单位共同使用遥测信息并向上级部门报送信息时，则应组建计算机局域网或设置连机终端，实现数据共享。 (3)中心站的电源应配有蓄电池组，按逆变方式工作的不间断电源( UPS)，条件允许还应配有备用发电机，以使前置处理机正常运行，主机能间断工作完成提取和处理数据。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-2 典型水情遥测中心站结构框图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,三、水情自动测报系统的组成结构,2.测站 测站主要由传感器、收发信设备、无线水情遥测仪、电源等组成。典型测站的结构如图6-3
6、所示。根据测站的重要性和要求的不同及所选用的体制不同，其设备配置是不同的。 (1)遥测站若设在某一管理单位或原水文站，此时要检测的水情参数较多，一般要求就地能显示打印存储。在这种情况下应采用应答式体制，这时设备配置较多，耗电量较大，对电源要求较高，见图6-3。 (2)若是单一水情参数遥测站(如雨量站或水位站)，此时可采用无人值守的自报式测站，这类测站耗电量少，可用太阳能电池供电，这时整个测站设备配置比较简单，如图6-4所示。 (3)测站的收发信装置，接口、调制解调器(modem)、微电脑芯片等可以组装在一起，称为无线水情遥测仪。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-3 典型测站结构框图,
7、任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-32 安徽省遥测系统雨水情监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,三、水情自动测报系统的组成结构,3.中继站 中继站是遥测站到中心站的中转站。由于水情自动测报系统一般建在丘陵或高山区，当遥测站到中心站的距离过远或由于高山、树木及高大建筑物的阻挡，通信线路损耗过大，不能满足通信最低要求时，就需要设中继站。 中继站主要由太阳能电池板、蓄电池、天馈线、中继机、双工电台等单元组成。主要负责信号的接收与转发。,图6-4 自报式测站结构框图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,四、水情自动测报系统的组建及运行管理,组建水情自动测报系统应严格按照水文自动测报系统规
8、范(SL61-94)执行，这里仅强调以下几点：,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,（一）资料收集 1.本系统范围内的水情资料(如雨量、水位、土壤湿度、渠道、河流、建筑物等)既要全，又要有代表性。 2.本系统范围内及周围地区的无线电通信资料，这是选择无线通信的频段，频点及工作方式的需要。,（二）站网论证 站网论证对确定系统规模至关重要，站网论证主要是选择最佳的站网分布密度及其位置。,图6-32 雨水情自动监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-32 蒸发量自动监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-32 地下水位自动监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-32 土壤墒情
9、自动监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,四、水情自动测报系统的组建及运行管理,（三）通信网的设计 水情自动测报系统是一个自动采集水情数据、自动处理及预报的自动化系统，工作条件地理环境都比较差，因此对通信电路的设计有很高的要求。其信道技术指标必须满足: 1.信道传输误码率，超短波信道; 2.系统畅通率大于90%两个条件。 同时，电路设计要根据国家无线电管理委员会有关规定及用户调研结果，选用合适的工作频率及工作方式，并根据现场查勘图进行设计、现场电测和电路设计来确定整个系统最佳组网方案。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,四、水情自动测报系统的组建及运行管理,（四）体制选择 如前所述，国内
10、外水情自动测报系统的工作体制有自报式、应答式、自报与应答兼容式和混合式等4种。对于不同的规模系统和使用要求，应选择与之相适应的工作体制，不应只追求功能多，要充分考虑系统供电、维护及可靠性等多种因素。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,（五）土建 土建的设计和施工质量如何也直接影响到系统的可靠性。土建工程包括中心站机房、中继站、测站、铁塔、避雷针、接地网、电源等，其中最值得注意的是接地网施工和电源安装。,（六）运行管理 为使系统长期稳定运行，必须要加强管理。其中主要是健全管理制度，加强技术培训和工作责任心教育等。,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(一)概述 该水库位于淮河支流淠河东源
11、上，与上游水库构成梯级水库，流域面积1 840 km2，流域内地形为山区，形状呈扇形，地势南高北低。流域平均高程为715 m。多年平均降雨量1 540 mm，年来水16亿m3。 系统规模为2：2：13，即系统由2个中心站，2个中继站和13个遥测站组成。支持水情自动测报系统的自联网，并通过本地区四水库联网系统，将本系统采集的数据传输到安徽省防办。系统采用超短波无线通信方式组网，预留有线信道接口，可连接有线信道。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(二)水文组网 该水库水情自动测报系统由2个分中心站(位于两梯级水库的水库管理处),2个互为备份的中继站、1
12、3个遥测站构成。其中，7个测站为单雨量站、2个测站为水位雨量站、4个测站为单水位站。组网示意图如图6-1所示。在本系统组网设计中，每个测站的RTU均可以兼作中继站，每个遥测站信息可以通过两个不同的路由传送到中心站。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,(三)设备选型 遥测站数据终端机(RTU)、中心控制终端(即前置机FIU)、通信电台选用Motorola公司产品，水位、雨量传感器选用南京水利水文自动化研究所等知名厂商的产品，太阳能电源选用宁波太阳能光板，免维护蓄电池选用合资企业产品。,(四)通信设计 系统采用超短波频点227.95 MHz进行通讯组网。,图6-1 佛子岭、磨子潭水库水文自动测报
13、系统组网图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,本系统的通信组网有两个特点:两个分中心，两个中继站互为冗余热备份。两个分中心接收的是相同遥测站且是相同中继站转发的数据。解决双中继热备份，避免同频干扰和数据传输碰撞，是本系统通信设计关键。本系统采用在遥测站发送的数据中包含通信路由和发送目的地，中心站接收到数据后给予确认，这样有效地保证了遥测站的数据通过指定的中继站发送到指定的分中心。由于有了确认信号，遥测站就能知道数据是否正确地发送到指定目的地，因此也就知道何时需要启用备用中继站。中继站即使不需要转发数据，每天也向中心站报送平安报以表示设备工作正常。,任
14、务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,系统通信流向如下：佛库坝上、佛库坝下、佛子岭、白莲崖、上土寺、太阳遥测站的数据只发送到佛子岭水库中心站，其他各遥测站均分别发送到佛子岭水库中心站和磨子潭水库中心站。 为了避免碰撞，应尽量减少数据发送频度。具体做法是：雨量采用0.5 mm采集存储，达到1mm时发送0.5 mm增量过程数据。通常情况下，备用中继站不转发数据；只有在主中继站出现故障的情况下，备用中继站才开始转发数据，这样可以有效地减少数据量，避免碰撞。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(五)系统联网 为了充分利用
15、已建和在建水情自动测报系统资源，本系统的水文数据接入六安水情分中心，并同时传输到安徽省水情中心(省防)。 通过坝址中继站将信息传至六安水情分中心，六安可实时监控、检索、处理、转发信息； 进入水情传输网，省水情中心、淮委及国家防办能实时获取水库水雨情信息，达到信息共享； 实现水库实时联机预报调度； 实时信息15min内到省水情中心。 系统联网示意图如图6-2所示，图中虚线所示为备用通信路由。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-2 佛梅响磨水文自动测报系统联组网图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(六)遥测站 本系统中遥测站有水位雨量站、单雨量
16、站和单水位站三种类型，测量参数有水位、雨量。遥测站的主设备为RTU和收发信机，遥测站实例图如下，组成框图如图6-3。 遥测站主要功能有: 当水位在规定时间间隔(6min)内变化1cm或雨量变化1mm时自动发送信息给中心站及分中心站。本次发送失败，下次发送的同时补发上次未发送成功的数据。不管采用何种量级发送都发送采集的所有增量(水位1cm、雨量0.5 mm)过程数据。 定时自报:无雨或水位不变时，每日必须采集报告5次(8时、14时、20时、0时、2时)数据和本站电池电压，以报告设备工作状况和收集资料。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-3 遥测站组成框图,任务二 水情自动测报与洪水预报调
17、度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,具有定时掉电功能。 具有数据在站存储功能，配备后备电池保证数据不丢失，用于水文数据整编。 具有通讯路由自动选择功能。具有数据向多个目的地传送功能。 具有主用、备用信道自动切换功能。 通讯信道侦听功能，当信道忙时，自动延时发送。 具有现场设置站号和数据发送量级功能。 具有人工置数功能。 可以根据需要随时设置为中继站。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(七)中继站 中继站中的中继机与遥测站RTU完全相同，与遥测站可以互换。如果相邻遥测站之间可以通讯，则其中任何一个遥测站设备可以直接改为中继站兼遥测站，实现通
18、讯路由的自动选择。中继站的组成框图见图6-4。 双中继(多云尖中继、多云寺中继)冗余热备份的实现: 在MOSCAD一M中配置一个网络通信配置文件(network config)，对主中继站和备份中继站进行定义，将两条通信路由(可以很多)写入该文件，在系统调试时，将此文件下载到RTU内，双中继冗余热备份即告成功。 本系统各站(遥测站和中继站)每天都向中心站传输5次电源电压，这样可随时知道遥测站设备及电源是否运行正常，同时也了解了两个中继站的运行状态。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-4 中继站组成框图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,中继站
19、主要功能有: 数据转发:既可以集合转发，又可以通信链路方式转发命令和有关遥测站数据。 状态报告:每日必须采集报告5次(8时、14时、20时、0时、2时)本站电池电压。 具有遥测站功能，可以接入水位、雨量、流量等传感器，测量相应水文参数。 可以实现信道自动切换，当主信道故障时，自动启用备用信道向中心站传输数据。 遥测站具有限时通话功能，限于系统维护或汛期通话需要时使用，设置成通话功能后，可以自动返回数据通信功能。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(八)中心站 中心站设在佛子岭和磨子潭水库管理处，硬件设备主要为前置通信控制机FIU(中心控制终端CTU(
20、也是RTU,与遥测站RTU相同)、值班机、调度计算机(主机)、收发信机、避雷器、天馈线以及电源等。中心站的组成框图见图6-5。 中心站采用双机冗余工作方式，即中心站值班机处于长期值守状态，主机通常用于数据处理、报表图形显示、打印和联机洪水预报。值班机既可单独运行，也可以和主机并行联机运行。 中心站按照国家防汛指挥系统设计大纲要求建立标准水情数据库(MS SQL server数据库)，通过计算机局域网或计算机广域网方便快捷地进行数据的近远程查询、传输，实现数据资源共享。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-5 中心站组成框图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动
21、测报系统简介,中心站主要功能有: 随时或定时召测各遥测站雨水情数据，实现全区时钟同步。 把遥测信息形成原始数据文件存储，报文分解、检错、分类处理以及向本地和远地定时装载数据库(或数据文件)。 完成一次所属全部遥测站所有水文参数的收集、数据处理、传输、入库时间不超过8min,数据转发不超过15 min. 可以随意增减测站的数量以及修改测站特征参数，修改工作将通过密码控制由有关管理人员进行操作，实现系统数据管理功能。 具有水文资料整编数据提取功能，满足资料整编需求。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,通过计算机处理，显示打印各类报表及过程线，图形显示各类
22、水情信息等。 具有人工置数功能。可以按照水情拍报段次并且匹配人工置数生成五位码水情报文，以自动或手动方式通过分中心局域网向上级防汛部门传送。 可以将实时遥测数据通过计算机广域网传送给省水情中心和其他防汛部门。 计算机洪水预报调度功能。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,中心站主要功能有:,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,(九)电源及防雷 1.中心站电源 中心站是系统数据收集传输的核心，由于其在系统中的重要性，设计交流电源的抗干扰和电源防雷，在交流电源输入端加二级避雷器和交流净化稳压滤波电源设备；中心站配置1台在线式3样KVA UPS，后备时间为8h。电源防雷采用两级不同泄放电流的单
23、相避雷器，对中心站总电源进行防雷。 为保证连续接收遥测数据，中心站FIU除了通过UPS供电外，另外再配置150 AH /12 V后备蓄电池，采用交流充电控制器浮充，设计过充、过放电保护。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,2.中继站电源 中继站是系统数据传输的枢纽，设计中着重考虑其可靠性，主要是防雷和电源两方面。采用太阳能浮充蓄电池供电，使用10年寿命150AH/12 V胶体蓄电池，设计过充、过放电保护，保证设备供电。 最保守的情况下，蓄电池可以在无任何充电的状态下保证20d(佛子岭地区连续阴雨天最多为15 d)的设备运行供电，而太阳能电池板在多云天
24、气条件下就能对蓄电池充电。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,3.遥测站电源 测站电源配置如下:选用10年寿命26 AH/12 V的优质胶体蓄电池，24 W太阳能板及充电控制器，设计过充、过放电、过流保护。 最保守的情况下，蓄电池至少可以在无任何充电的状态下保证60 d的设备运行供电。,五、安徽省某大型水库水情自动测报系统简介,4.系统防雷设计 一是从设备配置上采用电源防雷、信号防雷、天馈线防雷；二是从土建上设计避雷针防雷接地系统(系统接地电阻小于10)和等电位接地方式等。 对于交流供电的中心站电源防雷采用两级不同泄放电流的单相避雷器，对中心站总电源进行防雷；避雷器之后配置交流净化稳压电源，
25、滤除电源干扰。 对于太阳能供电的中继站、遥测站主要是天馈线防雷；对于远传电缆则采用金属管保护埋地式安装。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-32 长江流域安徽段水情监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-32 淮河流域安徽段水情监视,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,六、洪水预报与调度,（一）洪水预报模型 洪水预报模型分为物理模型、概念性模型和系统模型三大类。在实时预报中，概念性和系统性模型应用较多。 概念性模型主要有美国气象局提出的API模型、我国的新安江三水源模型、爱尔兰国立大学研制的SMAR模型、日本营原正已教授提出的水箱模型等。本环节主要介绍新安江三水源模型。,任务二
26、 水情自动测报与洪水预报调度,1.新安江三水源模型结构 该模型由河海大学赵人俊教授等在20世纪70年代提出，并在实践中不断完善，在湿润、半湿润地区行之有效，已在国内外被广泛应用。新安江三水源模型的结构见图6-13。,图6-13 新安江三水源模型结构图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,六、洪水预报与调度,图6-13中:输入为实测降水(P)和实测蒸发(E0)，输出为流域出口断面流量(Q)和流域蒸散发里(E)；WM为张力水容；EM为上层张力水蒸发能；UM、LM、DM分别为流域上层、下层、深层张力水容量；C为深层张力水固定蒸发比例；K为蒸发折算系数；R为用蓄满产流模型计算的流域产流量；W为初始流域
27、蓄水量；RS为地表径流；RG为地下径流；RI为壤中流；S为自由水库蓄量；CG为地下水调蓄系数。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,2.模型参数分析 模型共有15个参数，可分为4类，第一类为蒸散发计算，K、UM、LM、C；第二类为产流量计算，WM、B、IM；第三类为分水源计算SM、EX、 KG、 KI；第四类为汇流计算，CI、CG、UH、KE、XE。其中有些参数很敏感，参数值稍有改变对输出的影响就较大，有些参数则反应迟钝。因此，在确定模型参数时要根据具体情况来分别处理。,六、洪水预报与调度,3.模型参数的率定 在上述模型的基础上，从建库以来的近期资料中选择具有代表性的资料来编制方案，用若干年的
28、逐日资料和汛期洪水时空分布状况的若干次（30次左右）洪水资料，分别率定日模型和次洪模型的参数。 率定参数的准则就是使计算的流量过程与实测流量过程最佳拟合。先用逐日资料和日模型率定蒸发和产流参数，然后用次洪水资料和次洪模型率定分水源和忙流参敬，最后再修正和协调日模型和次洪模型结果，最后需使得预报方案的洪峰合格率、洪量合格率以及洪峰出现时间的合格率达到部颁规范甲级预报标准。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,六、洪水预报与调度,（二）实时校正技术 水文现象及其要求(降水、流量、水位)等遵循其内在的运动规律，每时每刻都处在运动和变化之中，当人们认识和掌握这些水文变化规律时，就以此为基础来建立各种水
29、文模型和预报方法，来预测未来的水文现象及其运动规律。然而，水文现象受到自然界中众多因素的影响，这些又大多具有不确定性的时变特征、因而会使得模型模拟值与实测值之间存在一定的误差，需要采用实时校正技术予以校正。 所谓实时校正技术，就是利用现代自动化技术迅速获得反馈的实测信息，在实时地、不断地计算出预报值与实测值的误差信息后，运用现代系统理论方法及时地校正、改普预报估计值或预报模型中的参数，使以后阶段的预报误差尽可能减小，预报结果更接近实测值。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,六、洪水预报与调度,实时预报校正模型很多，分“显式”结构水文模型和隐式.结构水文模型两类。实时修正方法也分三种，即对模型
30、参数实时校正;对模型预报误差进行预测;对状态变量进行估计。每一种方法又可能有不同的算法。例如，对模型参数进行实时校正的方法有最小二乘估计算法等。 所谓最小二乘估计算法就是利用预报值与实测值的误差信息，用时间序列分析法探讨误差时序的规律性，建立二阶线性自回归模型，用最小二乘法原理计算回归系数，并用此模型对洪水预报模型中有关预报值进行逐时段实时校正。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,（二）实时校正技术,六、洪水预报与调度,（三）洪水预报与调度结构 一个可供参考的水库洪水预报调度系统的结构框图见图6-14所示，其主要功能应包括： 水情信息的输入、修改、查询； 预报模型、调度模式参数率定与修改；
31、洪水预报及预报结果的修正； 调度方案制定与仿真； 数据库的建立与管理。 关于洪水预报与调度的进一步论述请参考有关文献。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,图6-14 洪水预报调度系统结构框图,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,本 节 小 结,一、主要内容 1、水情自动测报系统的设计原则、功能要求、系统组成等； 2、洪水预报与调度系统； 3、洪水预报模型、实时校正技术、洪水预报与调度结构等； 二、学习要求 1、掌握水情自动测报系统的设计原则、功能要求、系统组成等； 2、了解洪水预报与调度系统。,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,The End，Thank You!,任务二 水情自动测报与洪水预报调度,